基于STM32的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)記錄分析技術(shù)研究

引言

       隨著電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大以及現(xiàn)代化設(shè)備的不斷增加，尤其是大量非線性電力負(fù)荷的應(yīng)用，如半導(dǎo)體整流器、逆變器、電弧爐、電氣化鐵路、各種半導(dǎo)體調(diào)壓及變頻裝置和家用電器等，使電網(wǎng)的電壓波形發(fā)生畸變，對(duì)電能質(zhì)量造成嚴(yán)重干擾和污染[1]。供電企業(yè)和電力用戶出于安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益等方面因素，對(duì)供電質(zhì)量的問題越來越重視，因此，有必要對(duì)電網(wǎng)供電的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、記錄，分析電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

       本文提出一種基于STM32F4的嵌入式智能儀表模式的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)記錄分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，集基本電量測(cè)量、電能計(jì)量、電能質(zhì)量分析、電量監(jiān)視與記錄、事件報(bào)警與事件記錄等功能于一體，既可用于單相測(cè)量也可用于三線制和四線制配電網(wǎng)中的多相測(cè)量。能精確、可靠地記錄各個(gè)電量參數(shù)，提供用于評(píng)估工廠用電狀態(tài)和配電網(wǎng)質(zhì)量的重要數(shù)據(jù)。STM32F4是基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的32位高效數(shù)字信號(hào)控制器，支持單精度浮點(diǎn)運(yùn)算指令和增強(qiáng)型DSP處理指令，并具有杰出的動(dòng)態(tài)功耗控制和豐富的片上資源，方便了硬件設(shè)計(jì)并降低了硬件成本，使設(shè)計(jì)更簡單可靠，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

       1  電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)分析記錄儀總體設(shè)計(jì)方案

       本系統(tǒng)根據(jù)國家制定的電能質(zhì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。 系統(tǒng)通過信號(hào)采樣AD轉(zhuǎn)換模塊采集電壓、電流，數(shù)字信號(hào)控制器獲得采樣數(shù)據(jù)后進(jìn)行實(shí)時(shí)電參數(shù)計(jì)算和分析，將結(jié)果顯示到TFT液晶屏上，并根據(jù)計(jì)算出的參數(shù)觸發(fā)相應(yīng)的邏輯控制，通過SD卡、NAND FLASH和鐵電存儲(chǔ)器記錄參數(shù)，提供4路模擬量輸出接口、1路RS485接口和1路以太網(wǎng)接口傳輸數(shù)據(jù)，提供USB接口用以轉(zhuǎn)存歷史數(shù)據(jù)，預(yù)留DB9打印接口擴(kuò)展微型打印機(jī)打印輸出歷史數(shù)據(jù)曲線。

       主要功能如下：

       1）基本電量測(cè)量：可測(cè)量電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、頻率等；

       2）諧波測(cè)量：可測(cè)量高達(dá)63次的電壓和電流諧波含量；

       3）需量計(jì)量：區(qū)間式和滑差式可選；

       4）電能計(jì)量：可計(jì)量多費(fèi)率的有功電能/無功電能/視在電能；

       5）電能質(zhì)量分析：可分析相移角/相位角/總諧波失真電壓/總諧波失真電流/電壓諧波/電流諧波/失真電流強(qiáng)度/不對(duì)稱電壓/電流等；

       6）電量監(jiān)視與記錄：可監(jiān)視并記錄負(fù)荷曲線、視在/有功/無功功率平均值/最小/最大值以及其他電量參數(shù)等；

       7）事件報(bào)警與事件記錄，可對(duì)各個(gè)電量設(shè)置報(bào)警參數(shù)，包括最大事件數(shù)目/優(yōu)先級(jí)控制/可選擇的報(bào)警級(jí)別等，并可選擇是否記錄。

       2  硬件設(shè)計(jì)方案

       2.1 STM32 F4數(shù)字信號(hào)控制器簡介

       系統(tǒng)以意法半導(dǎo)體突出的以基于ARM® Cortex™-M4為內(nèi)核的STM32F407ZET6高性能微控制器為核心，其工作頻率為168MHz,集成了單周期DSP指令和單精度浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算單元，內(nèi)置512M字節(jié)閃存和192K字節(jié)SRAM，具有豐富的片上外設(shè)，包括本系統(tǒng)中用到的FSMC（可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器）、SDIO接口、USB接口、以太網(wǎng)接口、I2C接口、UART接口和內(nèi)部時(shí)鐘等。較市場(chǎng)上同類微處理器具有功能強(qiáng)，價(jià)格低，開發(fā)使用方便等優(yōu)勢(shì)。

       2.2 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

       前端采樣電路如圖2.2.1和圖2.2.2所示，電壓電流采樣選用高精度電壓電流互感器，其體積小、精度高、全封閉、隔離耐壓能力強(qiáng)。互感器將電壓電流轉(zhuǎn)換為小信號(hào)后，經(jīng)二階低通濾波送至AD芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換。AD芯片選用高精度16位AD芯片ADS8568SPMR，基準(zhǔn)電壓2.5V，8通道同步采樣，轉(zhuǎn)換速率滿足系統(tǒng)對(duì)快速采樣轉(zhuǎn)換的需求，且信噪比達(dá)到91.5dB。

       2.3 存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

       系統(tǒng)存儲(chǔ)分為四部分：

       1）NAND FLASH選用三星K9F1G08U0D，連接到微控制器FSMC的BANK2，具有128M大容量存儲(chǔ)空間，用于存儲(chǔ)圖片、系統(tǒng)參數(shù)和各種事件，當(dāng)系統(tǒng)缺失SD卡時(shí)也用于電量記錄。

       2）SD卡采用微控制器片上SDIO接口實(shí)現(xiàn)，用于存儲(chǔ)歷史電量記錄數(shù)據(jù)，最大可支持4G容量。

       3）U盤存儲(chǔ)通過物理層芯片USB3300-EZK與微控制器片上USB外設(shè)實(shí)現(xiàn)，用于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存及程序、圖庫、參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)。

       4）FRAM鐵電存儲(chǔ)器FM24C64B，通過I2C總線和微控制器連接，用于存儲(chǔ)實(shí)時(shí)電能數(shù)據(jù)并為電量記錄提供斷電記憶功能。

       2.4 顯示模塊設(shè)計(jì)

       系統(tǒng)采用3.5寸16位色TFT液晶屏作為顯示輸出，其分辨率為320*240，能夠清晰的顯示數(shù)據(jù)和曲線。運(yùn)用RA8875作為顯示驅(qū)動(dòng)芯片，提供低成本的8080并列式微控制器接口，內(nèi)建768K顯示內(nèi)存，支持2D的BTE引擎可處理大量圖形數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與傳送，同時(shí)內(nèi)建幾何圖形加速引擎，可大量節(jié)省使用者軟件開發(fā)的時(shí)間，并提升微控制器軟件的執(zhí)行效率。

       2.5 通信模塊設(shè)計(jì)

       系統(tǒng)采用RS485和以太網(wǎng)兩種物理介質(zhì)組網(wǎng)通信。

       RS485通信接口采用高速光耦進(jìn)行隔離，穩(wěn)定通信波特率最高可達(dá)38.4K，并通過瞬態(tài)抑制二極管對(duì)接口做了過壓保護(hù)，如圖2.5.1所示。

       以太網(wǎng)通信接口采用片上以太網(wǎng)外設(shè)通過簡化介質(zhì)獨(dú)立接口 (RMII)和外部快速物理層LAN8720A芯片實(shí)現(xiàn)，RJ45接口內(nèi)部集成了1：1變比的信號(hào)變壓器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離保護(hù)，提高通訊的抗干擾性能，具體實(shí)現(xiàn)原理如圖2.5.2所示。

       3  軟件設(shè)計(jì)方案

       3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

       軟件設(shè)計(jì)基于RealView MDK4.23開發(fā)平臺(tái)，通過JLINK V8與目標(biāo)板連接調(diào)試代碼。系統(tǒng)流程圖如圖3.1.1所示，軟件主要由以下模塊組成：

       初始化及自檢模塊：負(fù)責(zé)系統(tǒng)各個(gè)功能模塊和所有參數(shù)的初始化及自檢，系統(tǒng)參數(shù)采用帶校驗(yàn)因子的和校驗(yàn)方式進(jìn)行自檢，并設(shè)有兩個(gè)備份區(qū)，當(dāng)參數(shù)校驗(yàn)出錯(cuò)時(shí)將獲取備份參數(shù)，如果兩份備份參數(shù)都無效，系統(tǒng)進(jìn)行故障報(bào)警并顯示故障代碼，將系統(tǒng)出錯(cuò)的幾率降至最低；

       按鍵處理：負(fù)責(zé)六個(gè)功能按鍵的解析，并通過解析結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的操作；

       事件管理模塊：負(fù)責(zé)管理所有周期型和突發(fā)型事件，包括電量參數(shù)的計(jì)算、顯示處理、時(shí)鐘信號(hào)處理、存儲(chǔ)管理、邏輯控制、變送輸出和打印輸出等；

       485通信處理：負(fù)責(zé)通信數(shù)據(jù)的接收解包和發(fā)送打包，采用標(biāo)準(zhǔn)的Modbus-RTU協(xié)議；

       以太網(wǎng)通信處理：負(fù)責(zé)以太網(wǎng)狀態(tài)的輪詢處理，并處理UDP和TCP數(shù)據(jù)報(bào)文[4]，數(shù)據(jù)報(bào)文同樣采用Modbus-RTU協(xié)議；

       中斷處理程序：負(fù)責(zé)進(jìn)行快速的AD采樣、485通訊數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送以及邏輯處理。

       3.2 采樣數(shù)據(jù)處理

       3.2.1基本電量參數(shù)計(jì)算

       系統(tǒng)對(duì)輸入的電壓電流信號(hào)進(jìn)行同步采樣，避免了不同步采樣引起的相位誤差。每周波采樣256點(diǎn)，即采樣頻率為12800Hz。為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每一個(gè)周波，處理器必須在一個(gè)周波之內(nèi)完成電量的計(jì)算，保證出現(xiàn)電壓和電流突變時(shí)能啟動(dòng)錄波，記錄故障前4個(gè)周波和故障后5個(gè)周波的數(shù)據(jù)。

       電壓、電流有效值計(jì)算公式：

       注：式中x[n]為電壓、電流離散采樣值數(shù)組，N=256為每周波采樣點(diǎn)數(shù)，下同。

       有功功率計(jì)算公式：

       注：式中u[n]為電壓采樣值數(shù)組，i[n]為電流采樣值數(shù)組。

       無功功率計(jì)算方式分為跨相90°無功和自然無功兩種方式，可通過系統(tǒng)參數(shù)選擇。其他基本參數(shù)可通過以上參數(shù)計(jì)算得出，不再贅述。

       3.2.2 電能質(zhì)量參數(shù)計(jì)算

       諧波的測(cè)量在電能質(zhì)量分析中至關(guān)重要，在進(jìn)行數(shù)字采樣頻譜分析時(shí)，由于電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，如果采用固定頻率采樣，就會(huì)造成非整周期采樣，引起頻譜泄漏[5]。系統(tǒng)測(cè)量諧波范圍為1～63次諧波，由高次諧波頻譜泄漏造成測(cè)量的誤差往往較小，而基波的頻譜泄漏對(duì)臨近的低次諧波影響較大，因此本系統(tǒng)采用軟件頻率跟蹤技術(shù)，根據(jù)測(cè)得的頻率實(shí)時(shí)調(diào)整采樣周期以確保采樣周期的完整性，使得通過FFT計(jì)算的諧波精度達(dá)到國際B類要求。

       為了區(qū)別暫態(tài)現(xiàn)象和諧波，每次測(cè)量結(jié)果可取3S內(nèi)的平均值[2]。采用式（3）計(jì)算：

       式中:Uhk為3s內(nèi)第k次測(cè)得的h次諧波的均方根植;m≥6為3s內(nèi)取均勻間隔的測(cè)量次數(shù)。

       1)電壓諧波含有率計(jì)算：

       式中:U1為基波電壓；Uh為第h次諧波電壓。

       2)電壓總諧波畸變率：

       式中：H為諧波某特定階數(shù)，這里取63。

       相應(yīng)的電流參數(shù)以此類推，此外系統(tǒng)還可提供電流電壓波峰系數(shù)、電流K系數(shù)等參數(shù)作為電能質(zhì)量優(yōu)劣的參考。

       3.3  電量記錄

       系統(tǒng)能記錄測(cè)量到的基本電量參數(shù)，記錄的間隔固定為1S。系統(tǒng)不間斷的向鐵電存儲(chǔ)器寫入記錄的數(shù)據(jù)（斷電后在上電初始化時(shí)將數(shù)據(jù)補(bǔ)足），當(dāng)數(shù)據(jù)量達(dá)到4K字節(jié)時(shí)再以文件形式寫入NAND FLASH,若NAND FLASH存儲(chǔ)空間已經(jīng)寫滿，將寫入外部存儲(chǔ)器SD卡，若SD卡未檢測(cè)到，將循環(huán)覆蓋NAND FLASH空間。

       4  結(jié)束語

       本文介紹了一種儀表式的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)記錄分析儀的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)方法。采用具有DSP和浮點(diǎn)運(yùn)算單元的STM32F4微處理器及16位高速同步采樣AD芯片，保證了系統(tǒng)的處理速度和數(shù)據(jù)采樣速度，提供了全面的、高精度的電網(wǎng)參數(shù)，并充分利用微處理器片上資源，提供豐富靈活的外部接口，既降低了硬件成本和研發(fā)投入也方便了用戶使用?？傊?，該系統(tǒng)具有功能全面、測(cè)量精準(zhǔn)、操作便捷和易于安裝等優(yōu)勢(shì)，有著十分廣闊的應(yīng)用前景。